針對(duì)智能制造以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新應(yīng)用，介紹了數(shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)的用途與分類，并簡(jiǎn)述了與題目一致互聯(lián)互通互操作各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)據(jù)采集與解析的重要性和作用；針對(duì)生產(chǎn)車間多型異構(gòu)工業(yè)設(shè)備共存、通信協(xié)議與接口定義不兼容的現(xiàn)象，闡述了典型互聯(lián)互通互操作協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范圍和現(xiàn)狀，為數(shù)字化產(chǎn)線和智能車間的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合提供借鑒參考。

1  序言

機(jī)械制造業(yè)是工業(yè)的主體，第四次工業(yè)革命的到來(lái)為制造業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型提供了新的機(jī)遇，發(fā)展智能制造已成為搶占制造技術(shù)制高點(diǎn)的突破口，世界各國(guó)紛紛推出產(chǎn)業(yè)政策，推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如德國(guó)率先提出“工業(yè)4.0”，建設(shè)高端智慧工廠和智能制造創(chuàng)新中心；美國(guó)提出“國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”，推進(jìn)建設(shè)制造業(yè)關(guān)鍵領(lǐng)域和完備創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)；日本提出“工業(yè)價(jià)值鏈”，聯(lián)合100多家企業(yè)共同建設(shè)日本智能制造聯(lián)合體，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)工廠；《英國(guó)工業(yè)2050戰(zhàn)略》提出“服務(wù)再制造”，以數(shù)字技術(shù)改變傳統(tǒng)供應(yīng)鏈；《中國(guó)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展》把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向。智能制造的實(shí)質(zhì)是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的全方位數(shù)字化，關(guān)鍵基礎(chǔ)是數(shù)控機(jī)床（包括機(jī)床、機(jī)器人、量?jī)x具、傳感器等）的智能互聯(lián)互通互操作。

2  數(shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)分類

數(shù)據(jù)是流通于數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集、融合、分析決策、反饋控制等環(huán)節(jié)的“靈魂”，也是數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通互操作的根本“服務(wù)對(duì)象”。數(shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)來(lái)自于機(jī)床不同的功能部件（如控制器、伺服系統(tǒng)、絲杠等），根據(jù)不同的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和用途，筆者將其主要分為以下５類。
（1）屬性數(shù)據(jù) 屬性數(shù)據(jù)在機(jī)床全生命周期中不會(huì)發(fā)生改變，如機(jī)床構(gòu)造（如三軸鉆攻中心由３個(gè)運(yùn)動(dòng)軸和１個(gè)主軸構(gòu)成）、部件類型（如控制器、軸等）、機(jī)床生產(chǎn)廠家、機(jī)床生產(chǎn)日期等。
（2）參數(shù)數(shù)據(jù) 為了生產(chǎn)過(guò)程的有效控制，數(shù)控系統(tǒng)以參數(shù)的形式對(duì)機(jī)床運(yùn)行的各種物理量進(jìn)行描述，這類數(shù)據(jù)稱為參數(shù)數(shù)據(jù)，包括NC參數(shù)、軸參數(shù)、通道參數(shù)及設(shè)備參數(shù)等。
（3）邏輯數(shù)據(jù) 數(shù)控機(jī)床通過(guò)PLC程序?qū)Ω鞑考倪\(yùn)行邏輯進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，包括CNC裝置的控制功能、準(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能、進(jìn)給功能、補(bǔ)償功能、監(jiān)視和診斷功能等，如當(dāng)監(jiān)視和診斷模塊發(fā)出特定報(bào)警時(shí)，不允許機(jī)床執(zhí)行正常加工操作；機(jī)床防護(hù)門處于“打開”狀態(tài)時(shí)，不允許執(zhí)行運(yùn)行操作。
（4）任務(wù)數(shù)據(jù) 數(shù)控機(jī)床通過(guò)G代碼描述加工任務(wù)，G代碼一般由CAM系統(tǒng)生成，是現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)數(shù)控機(jī)床發(fā)出加工要求的主要載體，也是數(shù)控機(jī)床最主要的任務(wù)數(shù)據(jù)。
（5）狀態(tài)數(shù)據(jù) 狀態(tài)數(shù)據(jù)是零件數(shù)控加工的質(zhì)量、精度和效率優(yōu)劣直接或間接的定量描述。其既包含機(jī)床完成工作任務(wù)過(guò)程中數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部反饋控制所獲得的海量電控?cái)?shù)據(jù)，如主軸功率、主軸負(fù)載電流、進(jìn)給軸負(fù)載電流、跟蹤誤差和材料切除率等，也包括通過(guò)外部傳感器采集的物理和幾何數(shù)據(jù)，如切削力、溫度、振動(dòng)、空間誤差、熱變形和零件表面粗糙度等[1]。

3  數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通互操作

數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通互操作是溝通數(shù)控機(jī)床與數(shù)據(jù)應(yīng)用的使能技術(shù)，是“讓工業(yè)設(shè)備說(shuō)話的技術(shù)”。
3.1 數(shù)控機(jī)床互聯(lián)
互聯(lián)（Interconnection）是指構(gòu)成數(shù)控機(jī)床與數(shù)據(jù)應(yīng)用信息交互系統(tǒng)的物理部件和介質(zhì)，主要包括設(shè)備本體、傳輸介質(zhì)和通訊接口，類似于人類的信息交流系統(tǒng)的互聯(lián)部分，主要包括發(fā)聲器官（嘴巴）、收聽器官（耳朵）和傳輸介質(zhì)（空氣）。隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的互聯(lián)通信方式經(jīng)歷了早期的串口和USB（見圖1），至今以太網(wǎng)憑借實(shí)時(shí)性、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，已成為其主流互聯(lián)方式。如華中數(shù)控HNC-848D配置的IPC提供兩個(gè)RJ45接口，分別負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)之間，以及數(shù)控系統(tǒng)與外部通信單元之間的以太網(wǎng)互聯(lián)通信。
圖1 數(shù)控系統(tǒng)上的以太網(wǎng)口示例

近年來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)通信（4G/5G）開始在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域得到深入應(yīng)用，使得工廠不再需要復(fù)雜的線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各系統(tǒng)可直接進(jìn)行無(wú)線傳輸、無(wú)線控制。特別是5G通信大帶寬、低時(shí)延和多連接的特性，已支持打造中國(guó)商飛、吉利汽車和三一重工等一批5G+智能制造工廠。
3.2 數(shù)控機(jī)床互通
互通（Intercommunication）是數(shù)控機(jī)床向外部傳輸數(shù)據(jù)的“數(shù)字化載體”，同樣類似人類信息交互系統(tǒng)空氣振動(dòng)使發(fā)聲器官發(fā)出信號(hào)。信號(hào)通過(guò)空氣傳播，最終被收聽器官接收，也就是說(shuō)“振動(dòng)”是實(shí)現(xiàn)人類交流互通的一種信號(hào)。對(duì)于數(shù)控機(jī)床，無(wú)論是什么類型的信號(hào)（電脈沖、光脈沖等），最終都需要組織成某種形式的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸，互通便是負(fù)責(zé)完成“信號(hào)”到“數(shù)據(jù)幀”的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)通信雙方統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互方式，使得數(shù)據(jù)可以被數(shù)據(jù)交互雙方正確解析。
3.3 數(shù)控機(jī)床互操作
互聯(lián)與互通實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的流通，但未解決數(shù)據(jù)發(fā)生端和數(shù)據(jù)應(yīng)用端的信息交互，即使數(shù)據(jù)可以被數(shù)據(jù)應(yīng)用端（包括數(shù)控機(jī)床、各種智能應(yīng)用等）獲取，應(yīng)用端也無(wú)法理解數(shù)據(jù)內(nèi)所蘊(yùn)含的信息。如某工藝參數(shù)優(yōu)化模塊基于OPC UA協(xié)議監(jiān)測(cè)各個(gè)軸的電流數(shù)據(jù)：從互通層角度來(lái)看，工藝參數(shù)優(yōu)化模塊可以正確解析出采集的數(shù)據(jù)，但是無(wú)法識(shí)別數(shù)據(jù)的涵義，包括是哪個(gè)軸的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)值代表什么、數(shù)據(jù)單位是什么、數(shù)據(jù)精度是多少等。也就是說(shuō)，互通層協(xié)議只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析，無(wú)法支撐數(shù)據(jù)接收方對(duì)數(shù)據(jù)的理解，不能形成數(shù)據(jù)交互雙方之間的互操作行為。數(shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)的互操作需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、明確地規(guī)范，以及將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)產(chǎn)生的制造操作相關(guān)聯(lián)的機(jī)制[2]?；ゲ僮鳎↖nteroperability）就是將數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)進(jìn)行“翻譯”，使應(yīng)用程序或其他設(shè)備可以理解數(shù)據(jù)的物理意義，為數(shù)據(jù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織地理信息技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC 211）[3]將互操作定義為：“若兩個(gè)實(shí)體甲和乙能相互操作，則甲、乙對(duì)‘處理請(qǐng)求’均有相同的理解，并且如果甲向乙提出‘處理請(qǐng)求’，乙能對(duì)該請(qǐng)求做出正確反應(yīng)，并將結(jié)果返回給甲?！睌?shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)的互操作要求數(shù)據(jù)交互雙方不僅能正確解析數(shù)據(jù)，還能夠正確理解數(shù)據(jù)，并以正確的動(dòng)作完成響應(yīng)。

在互聯(lián)互通互操作三者之間，互聯(lián)使數(shù)控機(jī)床與數(shù)據(jù)應(yīng)用之間的信號(hào)傳輸成為可能，互通使得數(shù)據(jù)在互聯(lián)的基礎(chǔ)上可以準(zhǔn)確無(wú)誤地進(jìn)行傳輸，在互聯(lián)互通的前提下，完成數(shù)控機(jī)床與數(shù)據(jù)應(yīng)用的互操作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與數(shù)據(jù)應(yīng)用之間的信息交互與融合。也就是說(shuō)，互聯(lián)為前提，互通為基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)互操作。

4  典型互聯(lián)互通互操作工控協(xié)議

國(guó)內(nèi)外很多制造企業(yè)的生產(chǎn)車間往往是多類型及多品牌數(shù)控機(jī)床并存，通信協(xié)議與接口定義差別較大，這種現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)尤其普遍。因此，企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中均面臨相同的問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備的互聯(lián)互通互操作。截至目前，國(guó)際上已有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，各種工業(yè)協(xié)議層出不窮。但是，隨著多型異構(gòu)數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊的需求日漸突出，互通層和互操作層的工業(yè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)亦被各國(guó)更加重視。目前，應(yīng)用比較廣泛的OPC UA協(xié)議是典型的互通層通訊協(xié)議，MTConnect和NC-Link是支持互操作的典型通訊協(xié)議。

4.1 OPC UA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

OPC UA由OPC基金會(huì)于2008年發(fā)布，目的是為工廠車間和企業(yè)之間的數(shù)據(jù)和信息傳遞提供一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的互通性標(biāo)準(zhǔn)，OPC UA應(yīng)用架構(gòu)示例如圖2所示。工業(yè)4.0環(huán)境下的OPC UA，不是要取代機(jī)械裝置內(nèi)業(yè)已普遍使用的確定性通信的手段，而是為不同生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的成套裝置、機(jī)械設(shè)備和部件之間提供一種統(tǒng)一的通信方式，使數(shù)據(jù)采集模型化[4]。

圖2 OPC UA應(yīng)用架構(gòu)示例

相較于其他協(xié)議，OPC UA其實(shí)更適用于PLC，支持對(duì)象更加豐富，拓展性也更好，為此越來(lái)越多的公司將其作為開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括主流的自動(dòng)化廠商，以及IT界的華為、CISCO及Microsoft等都是OPC UA的支持者，很多企業(yè)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了OPC UA應(yīng)用程序的開發(fā)與應(yīng)用，包括西門子、發(fā)那科、倍福、ABB及愛(ài)默生等。但是，OPC UA在通信實(shí)時(shí)性上具有局限性，不適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)互通。目前，OPC UA正在積極與TSN（TimeSensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行融合，構(gòu)建“OPC UA over TSN”模式的通信架構(gòu)，解決OPC UA不能很好地滿足對(duì)時(shí)間敏感的工業(yè)應(yīng)用需求的問(wèn)題。這種模式在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用雖然尚處于起步階段，但越來(lái)越多的工業(yè)供應(yīng)商、ICT廠商和芯片供應(yīng)商已在共同加快對(duì)該通信模式的融合、測(cè)試和驗(yàn)證。如2018年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等超過(guò)20家國(guó)際組織和業(yè)界知名廠商聯(lián)手發(fā)布了包含6大工業(yè)互聯(lián)場(chǎng)景的TSN+OPC UA智能制造測(cè)試床；2019年，上海華為全聯(lián)接大會(huì)期間，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟牽頭35家國(guó)際有影響力的企業(yè)和組織，首次在國(guó)內(nèi)展示了面向智慧工廠的邊緣計(jì)算OPC UA over TSN測(cè)試床。TSN與OPC UA融合技術(shù)可為數(shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)的采集、傳輸、融合與分享構(gòu)建更高效的通信網(wǎng)絡(luò)，正在成為OPC UA協(xié)議在工業(yè)預(yù)測(cè)性維護(hù)、遠(yuǎn)程運(yùn)維、生產(chǎn)監(jiān)控及可視化信息管理等方面進(jìn)行應(yīng)用的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

4.2 MTConnect協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

MTConnect協(xié)議是美國(guó)制造技術(shù)協(xié)會(huì)AMT于2006年提出，主要用于數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交互，MTConnect體系架構(gòu)示例如圖3所示。相較于其他協(xié)議而言，MTConnect協(xié)議具備以下特點(diǎn)。

（1）基于XML技術(shù)提供易于交互的、機(jī)器可讀的數(shù)據(jù)。

（2）采用HTTP作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，兼容整個(gè)生產(chǎn)操作中使用的其他標(biāo)準(zhǔn)。

（3）對(duì)Linux系統(tǒng)提供源碼開源，通過(guò)語(yǔ)義模型提供用于數(shù)據(jù)建模和組織的方法，以此支持異構(gòu)機(jī)床互操作。因此，MTConnect為機(jī)床廠商提供了一個(gè)即插即用、標(biāo)準(zhǔn)開放的數(shù)據(jù)互操作協(xié)議[5]。對(duì)于機(jī)床用戶而言，基于MTConnect可快速對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行升級(jí)改造，使原有舊機(jī)床不再是“啞設(shè)備”。

目前，MTConnect協(xié)議已廣泛融入國(guó)內(nèi)外很多設(shè)備廠商設(shè)備中，如美國(guó)通用電氣GE要求采購(gòu)的數(shù)控設(shè)備支持MTConnect協(xié)議；Mazak公司也積極支持通過(guò)MTConnect協(xié)議提供完整的制造解決方案；NUM公司開發(fā)的適用于其CNC系統(tǒng)的NUMConnect

通信接口選項(xiàng)，完全符合MTConnect 互操作性標(biāo)準(zhǔn)；日本康泰克（CONTEC）在其CONPROSYS系列產(chǎn)品中集成MTConnect協(xié)議的適配器和代理器軟件，支持MTConnect客戶端與CONPROSYS控制器的快速連接；FANUC公司也在其機(jī)床通訊協(xié)議FOCAS接口中兼容了MTConnect協(xié)議。

圖3 MTConnect體系架構(gòu)示

4.3 NC-Link協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

NC-Link協(xié)議是由中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)牽頭研發(fā)[6]，制定的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)已于2020年12月1日正式發(fā)布，并于2021年1月1日起實(shí)施，NC-Link協(xié)議互聯(lián)模型示例如圖４所示。該協(xié)議不僅支持?jǐn)?shù)控機(jī)床、機(jī)器人、AGV小車及PLC等單個(gè)數(shù)控裝備、智能生產(chǎn)線和智能工廠的數(shù)據(jù)交互，還可支持以NC-Link代理器為基礎(chǔ)的多個(gè)云數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)。相較于MTConnect協(xié)議，NC-Link與其在體系架構(gòu)、語(yǔ)義模型定義等方面有許多相似之處，但是NC-Link協(xié)議支持毫秒級(jí)流數(shù)據(jù)傳輸，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下具備更好的實(shí)時(shí)性。

圖4 NC-Link協(xié)議互聯(lián)模型示例

目前，NC-Link協(xié)議已在武漢華中數(shù)控、廣州數(shù)控、科德數(shù)控、沈陽(yáng)高精數(shù)控等企業(yè)的數(shù)控產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了集成，并在藍(lán)思科技、比亞迪、四川普什寧江、吉林通用、西格馬數(shù)控機(jī)床及寶雞機(jī)床等企業(yè)的生產(chǎn)線和智能工廠進(jìn)行了應(yīng)用，華為、聯(lián)想及浪潮等ICT企業(yè)也參加到標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)驗(yàn)證和推廣應(yīng)用行列。在CIMT2021國(guó)際機(jī)床展會(huì)上，NC-Link現(xiàn)場(chǎng)接入了上百臺(tái)不同類型和不同品牌的工業(yè)設(shè)備，展示了其多型異構(gòu)工業(yè)設(shè)備與協(xié)議的兼容能力。

5  結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的核心，本文首先對(duì)數(shù)控機(jī)床大數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類介紹，并針對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)車間多型異構(gòu)設(shè)備并存現(xiàn)象，概述了數(shù)控機(jī)床的互聯(lián)互通互操作，以及典型互聯(lián)互通互操作協(xié)議的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍及應(yīng)用現(xiàn)狀等。在智能制造浪潮背景下，特別是面對(duì)疫情沖擊及逆全球化趨勢(shì)，更多的傳統(tǒng)制造企業(yè)開始用大數(shù)據(jù)和人工智能打造企業(yè)智慧大腦，深度應(yīng)用數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)、效率分析、預(yù)測(cè)預(yù)警、工藝優(yōu)化、質(zhì)量提升及遠(yuǎn)程運(yùn)維等智能化功能，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化運(yùn)營(yíng)，提升企業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維保及運(yùn)營(yíng)等能力，重塑企業(yè)價(jià)值體系，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2022年第2期第11~14頁(yè)，作者：華中科技大學(xué) 馮冰艷，代超仁；武漢華中數(shù)控股份有限公司 王蕭，晏嫚，原標(biāo)題：《面向智能制造的數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通互操作》。

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